变压器的结构和工作原理

变压器的一般结构如图1所示，由闭合铁心和高压、低压绕组等几个主要部分构成。

图1 变压器的构造 (a) 心式(b) 壳式

图2所示的是变压器的原理图。为了便于分析，我们将高压绕组和低压绕组分别画在两边。与电源相连的称为一次绕组(旧称为初绕组、原绕组)，与负载相连的称为二次绕组(旧称为次级绕组、副绕组)。一次、二次绕组的匝数分别为N₁和N₂。

图2 变压器的原理图

当一次绕组接上交流电压时，一次绕组中便有电流通过。一次绕组的磁通势产生的磁通绝大部分通过铁心而闭合，从而在二次绕组中感应出电动势，如果二次绕组接有负载，那么二次绕组中就有电流通过。二次绕组的磁通势也产生磁通，其绝大部分也通过铁心而闭合。因此铁心中的磁通是一个由一次、二次绕组的磁通势共同产生的合成磁通，它称为主磁通，用Φ表示。主磁通穿过一次绕组和二次绕组而在其中感应出的电动势分别为和。此外，一次、二次绕组的磁通势还分别产生漏磁通和(仅与本绕组相链)，从而在各自的绕组中分别产生漏磁通电动势。

上述的电磁关系可表示如下：

下面分别讨论变压器的电压变换、电流变换及阻抗变换。

(1) 电压变换

由基尔霍夫电压定律，对一次绕组电路可列出与交流铁心线圈电路相同的电压方程

也由于电阻压降和漏磁电动势较小，与主磁电动势比较起来，可以忽略不计。于是

，

根据，的有效值为

　　　(1)

同理，对二次绕组电路可列出

感应电动势的有效值为

　　　(2)

在变压器空载时

式中是空载时二次绕组的端电压。

一次、二次绕组的电压之比为

　　　(3)

式中，K称为变压器的变比，亦即一次、二次绕组的匝数之比。可见，当电源电压一定时，只要改变匝数比，就可得出不同的输出电压。

变比在变压器的铭牌上注明，它表示一次、二次绕组的额定电压之比，例如“6000/400 V”(K=15)。这表示一次绕组的额定电压(即一次绕组上应加的电源电压)，二次绕组的额定电压。所谓二次绕组的额定电压是指一次绕组加上额定电压时二次绕组的空载电压。由于变压器有内阻抗压降，所以二次绕组的空载电压一般应较满载时的电压高5%~10%。

图4三相变压器

要变换三相电压可采用三相变压器(图4)。图中，各相高压绕组的始端和末端分别用，，和，，表示，低压绕组则用，，和，，，表示。

图5所举的是三相变压器连接的两例，并示出了电压的变换关系。

Y/Y₀联结的三相变压器是供动力负载和照明负载共用的，低压一般是400V，高压不超过35kV，Y/Δ联结的变压器，低压一般是10kV，高压不超过60kV。

高压侧连接成Y形，相电压只有线电压的，可以降低每相绕组的绝缘要求；低压侧连接成Δ形，相电流只有线电流的1/，可以减小每相绕组的导线截面。

SL7-500/10是三相变压器型号的一例，其中S——三相，L——铝线，7——设计序号，500——500kV·A，10——高压侧电压10kV。

图5 三相变压器的连接法举例

(2) 电流变换

由可见，当电源电压U1和频率f不变时，E1和也都近于常数。就是说，铁心中主磁通的最大值在变压器空载或有负载时是差不多恒定的。因此，有负载时产生主磁通的一次、二次绕组的合成磁通势()应该和空载时产生主磁通的一次绕组的磁通势差不多相等，即

如用向量表示，则为

　　　(4)

变压器的空载电流是励磁用的。由于铁心的磁导率高，空载电流是很小的。它的有效值在一次绕组额定电流的10%以内。因此与相比，常可以忽略。于是式(4)可写成

　　　(5)

由上式可知，一次、二次绕组的电流关系为

　　　(6)

上式表明变压器一次、二次绕组的电流之比近似等于它们的匝数比的倒数。可见，变压器中的电流虽然由负载的大小确定，但是一次、二次绕组中的电流的比值是差不多不变的；因为当负载增大时，和随着增大，而也必须相应增大，以抵偿二次绕组的电流和磁通势对主磁通的影响，从而维持主磁通的最大值近于不变。

变压器的额定电流和是指按规定工作方式(长时连续工作或短时工作或间歇工作)运行时一次、二次绕组允许通过的最大电流，它们是根据绝缘材料允许的温度确定的。

二次绕组额定电压与额定电流的乘积称为变压器的额定容量，即

(单相)

它是视在功率(单位是V·A)，与输出功率(单位是W)不同。

(3) 阻抗变换

变压器除了能起比变换电压和变换电流的作用外，它还有变换负载阻抗的作用，以实现“匹配”。

在图5(a)中负载阻抗模|Z|接在变压器二次侧，而图中的点画线框部分可以用一个阻抗模来等效代替。所谓等效，就是输入电路的电压、电流和功率不变。就是说，直接接在电源上的阻抗模和接在变压器二次侧的负载阻抗模|Z|是等效的。两者的关系可通过下面计算得出。

根据式(3)和式(6)可得出

由图5可知

，

代入得

　　　(7)

匝数比不同，负载阻抗模|Z|折算到(反映到)一次侧的等效阻抗模也不同。我们可以采用不同的匝数比，把负载阻抗模变换为所需要的、比较合适的数值。这种做法通常称为阻抗匹配。

（a）	（b）
图5 负载阻抗的等效变换

在图5中，交流信号源的电动势为E，内阻为R0，负载电阻为R_L。当RL折算到一次侧的等效电阻时，变压器的匝数比应为